電磁元件培訓(xùn)教材課件

電磁元件培訓(xùn)教材

SPT目錄一磁性的起源與分類磁性的起源磁性的分類與磁疇磁性材料的特性參數(shù)及定義二軟磁材料及應(yīng)用硅鋼及鐵鎳合金非晶態(tài)合金及超微晶磁粉芯鐵氧體三電力電子磁性元件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)電與磁的關(guān)系電感的設(shè)計(jì)變壓器損耗的計(jì)算變壓器設(shè)計(jì)實(shí)例目錄磁性的起源與分類軟磁材料及應(yīng)用電力電子磁性元件設(shè)計(jì)磁性起源－電子軌道磁矩電子軌道磁矩μl=-γlPl

Pl為電子軌道角動(dòng)量γl為軌道旋磁比γI=e/2me磁性起源－電子的自旋磁矩電子的自旋磁矩

μS=-γSPSPl為電子軌道角動(dòng)量γS為軌道旋磁比

γS=e/me磁性起源－原子磁矩在鐵磁物質(zhì)中原子的總角動(dòng)量一般屬L-S耦合，即

PJ=PL+PS原子有效磁矩μJ為μL和μS平行與的PJ分量：μJ=μLcos(Pl,PS)+μScos(Pl,PS)磁性材料的分類－抗磁性

特點(diǎn)：無(wú)原子磁矩（不考慮核磁矩）感生磁場(chǎng)方向與磁化場(chǎng)方向相反，磁化率χ＜0，χ約為10-5數(shù)量級(jí)磁性材料的分類－順磁性特點(diǎn)：有原子磁矩感生磁場(chǎng)方向與磁化場(chǎng)方向相同磁化率χ＞0，χ約為10-3～10-6數(shù)量級(jí)磁性材料的分類－鐵磁性特點(diǎn)：物質(zhì)內(nèi)部有自發(fā)磁化現(xiàn)象，有磁疇。磁化率χ＞0，χ約為101～106數(shù)量級(jí)。當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí)，鐵磁性物質(zhì)變?yōu)轫槾判?，并服從居里外斯定?/p>

χ＝C/(T-Tp)Tp為鐵磁性物質(zhì)的順磁居里溫度磁性材料的分類－亞鐵磁性特點(diǎn)：物質(zhì)內(nèi)部有自發(fā)磁化現(xiàn)象，有磁疇。磁化率χ＞0，χ約為100～104數(shù)量級(jí)。亞鐵磁性材料一般為鐵氧體，有兩套或兩套以上次晶格。在兩個(gè)次晶格上的原子磁矩取向相反。亞鐵磁性為強(qiáng)磁性。磁性材料的分類－反鐵磁性特點(diǎn)：物質(zhì)內(nèi)部有自發(fā)磁化現(xiàn)象，反鐵磁性為弱磁性。有兩套次晶格。兩個(gè)近鄰原子磁矩取向相反，大小相同。自發(fā)磁化強(qiáng)度為零。磁性材料的分類－反鐵磁性

在相變溫度TN以上，反鐵磁性物質(zhì)表現(xiàn)出類似順磁性特點(diǎn)，磁化率隨溫度的變化符合居里外斯定律。當(dāng)溫度小于TN，磁化率隨溫度降低而減少，并逐漸趨于定值。

磁疇

為使體系能量減小，有限大的物質(zhì)通常被分成若干小的區(qū)域，不同的區(qū)域自發(fā)磁化方向不同。在無(wú)外加磁場(chǎng)的情況下，體系總的磁矩趨于相互抵消。這些小的區(qū)域稱為磁疇。在外磁場(chǎng)下，由于疇壁的移動(dòng)或疇內(nèi)自發(fā)磁化方向的改變而通常表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性。磁性材料特性參數(shù)及定義1飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs

隨磁芯中磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度B出現(xiàn)飽和時(shí)的值，稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs。

B=μ0（H+M）2剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場(chǎng)后，剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度。3矯頑力Hc

磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場(chǎng)后，繼續(xù)反向磁化，直至磁感應(yīng)強(qiáng)度減小到零，此時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑力Hc。

5居里溫度Tc

磁芯由鐵磁性（亞鐵磁性或反鐵磁性）轉(zhuǎn)變成順磁性的溫度稱為居里溫度。在m-T曲線上，80%μmax與20%μmax連線與μ=1的交叉點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的溫度，即為居里溫度Tc。6溫度系數(shù)αm

溫度系數(shù)為溫度在T1和T2范圍內(nèi)變化時(shí)，每1℃相應(yīng)磁導(dǎo)率的變化量，即

αm=（μ2-μ1）/[μ1（T2-T1）]

（T2>T1）式中

μ1—溫度為T1時(shí)的磁導(dǎo)率；

μ2—溫度為T2時(shí)的磁導(dǎo)率。7減落減落（D）是指材料在交變磁場(chǎng)中經(jīng)過(guò)中性化后，在未受任何機(jī)械和熱干擾的情況下，起始磁導(dǎo)率μi

隨時(shí)間而降低，最后趨于穩(wěn)定的可逆的時(shí)間效應(yīng)。減落系數(shù)d定義為：D

=（μ（t1)–μ(T2)）(μ(T1)logμ（t1)）

其中，t1=60S，t2=600S。8磁晶各向異性

磁晶各向異性是指磁矩相對(duì)于晶軸不同方向時(shí)能量不同的現(xiàn)象。目前認(rèn)為鐵氧體產(chǎn)生磁晶各向異性的原因是電子自旋-軌道的耦合與晶體電場(chǎng)的聯(lián)合效應(yīng)。磁晶各項(xiàng)異性常數(shù)的絕對(duì)值通常是隨溫度的升高而減小。里在居里溫度附近，由于K1值比飽和磁化強(qiáng)度更快地趨于零，大多數(shù)磁性材料的磁導(dǎo)率將呈現(xiàn)峰值。對(duì)于開關(guān)電源用MnZn鐵氧體，人們通過(guò)控制Fe2+的濃度來(lái)控制K1=0的溫度，從而控制μi~T曲線第二峰的位置，即控制磁芯損耗最低點(diǎn)溫度TP值。9磁致伸縮

磁性體磁化狀態(tài)的變化引起其形狀、尺寸改變的現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。在開關(guān)電源中磁致伸縮效應(yīng)容易引起機(jī)械噪聲和電磁噪聲，應(yīng)設(shè)法避免。11

截止頻率fr

截止頻率是軟磁材料能夠應(yīng)用的頻率范圍的重要標(biāo)志。表1.1幾種常用鐵氧體材料的截止頻率fr與使用頻率f材料種類MnZnMnZnNiZnNiZn NiFe2

2000800 40060 起始磁導(dǎo)率2000800 40060 11截止頻率fr2.56.08.0 150200 （MHz）使用頻率上限 0.5 1.0 2.0 25 50 30(MHz)（tanδ≤0.1）

EPCOSN87材料實(shí)例目錄

磁性的起源與分類軟磁材料及應(yīng)用電力電子磁性元件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)硅鋼

硅鋼是立方晶系的多晶體金屬合金，硅鋼片的性能受硅含量、雜質(zhì)（C、O、S、Mn、P等）、晶粒取向、應(yīng)力、晶粒尺寸、鋼片厚度、鋼片表面質(zhì)量等七個(gè)因數(shù)的影響，提高硅鋼片性能有三條主要措施：改變晶粒結(jié)構(gòu)、調(diào)整硅含量和減少帶材厚度。硅鋼片又稱電工鋼板，按其制造工藝可分為熱軋電工鋼（含硅2%-4.5%）、冷軋無(wú)取向硅鋼（含硅0.5%-3%）和冷軋取向硅鋼（含硅約3%）。硅鋼片的工作頻率一般不超過(guò)400Hz，主要用各類電力變壓器、配電變壓器、電機(jī)、各類電子系統(tǒng)和家用電器中的中小功率低頻變壓器、扼流圈、電感器、電抗器中。硅鋼

硅鋼

鐵鎳合金

定義：含鎳量在30%-90%范圍內(nèi)，又稱坡莫合金，主要形狀為帶材，主要特點(diǎn)：在弱、中磁場(chǎng)下有很高的磁導(dǎo)率和極小的矯頑力，加工性能好，有較好的防銹性能；經(jīng)過(guò)特定的加工，可獲得很好的磁性能。。1J50材料主要用于400Hz-8000Hz的100瓦以下的變壓器；1J79材料適合于低電壓變壓器、漏電保護(hù)開關(guān)鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯；1J85材料適合于作弱信號(hào)的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。非晶態(tài)合金及超微晶合金

定義：非晶態(tài)合金的原子排列長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序、無(wú)晶粒、晶界。非晶態(tài)合金的結(jié)構(gòu)與玻璃結(jié)構(gòu)相似，也稱為金屬玻璃。性能：有優(yōu)異的軟磁性能，機(jī)械強(qiáng)度高、硬度高、韌性好、耐腐蝕、耐磨性好，電阻率較高。常用的非晶態(tài)合金有鐵基、鐵鎳基、鈷基合金三大類。非晶合金薄帶的制作非晶磁芯的加工非晶態(tài)合金及超微晶合金

鐵鎳基非晶態(tài)合金特點(diǎn)：中等飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（0.8T），較高的初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率，高的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)良的韌性，在中低頻率下鐵損低，經(jīng)磁場(chǎng)退火后可得到很好的矩形回線。應(yīng)用；替代1J79，廣泛用于漏電開關(guān)、精密電流互感器、磁屏蔽等。非晶態(tài)合金及超微晶合金鈷基非晶態(tài)合金特點(diǎn)：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5T-0.8T,飽和磁致伸縮系數(shù)為零，對(duì)應(yīng)力不敏感，初始磁導(dǎo)率高（10kHz，100k以上）和最大磁導(dǎo)率（100萬(wàn)），矯頑力低，高頻損耗低，機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好、耐磨性好，價(jià)格高。應(yīng)用：開關(guān)電源

、磁放大器、脈沖變壓器、磁頭、磁屏蔽、傳感器等。非晶態(tài)合金及超微晶合金

非晶態(tài)合金及超微晶合金

超微晶

非晶態(tài)材料經(jīng)過(guò)熱處理后獲得直徑為10-20納米的微晶，稱為超微晶或納米晶材料。鐵基超微晶合金（FeNbCuSiB合金）具有優(yōu)異的綜合磁性能，磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.2T

，初始磁導(dǎo)率為80000，矯頑力為0.32A/m，電阻率為80微歐厘米。適用頻率：50Hz-100kHz，最佳頻率；20kHz-50kHz。非晶態(tài)合金及超微晶合金

非晶態(tài)合金與超微晶特性非晶態(tài)合金與超微晶特性MagneticpropertiesVITROPERM=highBsandextendedT-range(>120°C)B=μ0μrIcomN/lFe

磁粉芯

磁粉芯是由顆粒直徑很小（0.5~5mm）的鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的磁芯，一般為環(huán)形，也有壓制成E形的。磁粉芯的電磁特性取決于金屬粉粒材料的導(dǎo)磁率、粉粒的大小與形狀、填充系數(shù)、絕緣介質(zhì)的含量、成型壓力、熱處理工藝等。磁粉芯工藝磁粉芯

磁粉芯主要用于電感鐵芯，由于金屬軟磁粉末被絕緣材料包圍，形成分散氣隙，大大降低了金屬軟磁材料的高頻渦流損耗，使磁粉芯具有抗飽和特性與寬頻響應(yīng)特性，特別適用于制作諧振電感、功率因數(shù)校正電感、輸出濾波電感、EMI濾波器電感等。常用磁粉芯簡(jiǎn)介常用磁粉芯主要有鐵粉芯鐵硅鋁粉芯

鐵硅高磁通量（HighFlux）粉芯坡莫合金粉芯（MPP）磁粉芯主要形狀環(huán)型、E型、方型常用磁粉芯簡(jiǎn)介

常用磁粉芯簡(jiǎn)介鐵粉芯

構(gòu)成：羰基鐵磁粉及樹脂羰基鐵磁粉。使用注意要點(diǎn)：在高于75℃的大功率應(yīng)用中，由于有機(jī)成分的老化而引起電感和品質(zhì)因數(shù)的永久性降低，降低的程度取決于時(shí)間、溫度、磁芯大小、頻率和工作磁通密度，主要用途：各種電源的輸入、輸出濾波電感、功率因數(shù)校正器等，使用頻率可達(dá)100kHz。常用磁粉芯簡(jiǎn)介鐵粉芯材料：2、8、18、26、28、33、38、40、45、52顏色：一般為雙色，有：紅/清、黃/紅、綠/紅、黃/白、 灰/綠、灰/黃、灰/黑、綠/黃、黑/黑、綠/藍(lán) 磁導(dǎo)率：10、35、55、75、22、33、85、60、100、75 常用磁粉芯簡(jiǎn)介鐵硅鋁粉芯

典型成：9%Al、55Si、85%Fe。特點(diǎn)：由于在純鐵中加入了硅和鋁，使材料的磁滯伸縮系數(shù)接近零，降低了材料將電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的能力，同時(shí)也降低了材料的損耗，使鐵硅鋁粉芯的損耗比鐵粉芯的損耗低。比鐵粉芯具有更強(qiáng)的抗直流偏磁能力。由于不含有機(jī)成分，鐵硅鋁粉芯不存在老化問題，工作溫度可達(dá)200℃，鐵硅鋁粉芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在1.05T左右磁導(dǎo)率：26、60、75、90、125。

鐵硅鋁粉芯材料特性鐵硅鋁粉芯的磁通密度

鐵硅鋁粉芯的溫度特性

鐵硅鋁粉芯的直流疊加特性

鐵硅鋁粉芯磁導(dǎo)率隨交流磁通變化特性

鐵硅鋁粉芯磁導(dǎo)率頻率特性常用磁粉芯簡(jiǎn)介

高磁通量（HighFlux）粉芯成分：50%Ni、50%Fe飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度:1.4T左右磁導(dǎo)率有14、26、60、125、147、160特點(diǎn)：是磁粉芯中具有最強(qiáng)抗直流偏磁能力的材料，磁芯損耗與鐵粉芯相近，比鐵硅鋁大許多。用途：主要用在高DC偏壓、大直流電和低頻交流電路中，也用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因數(shù)校正電感等。HF材料特性常用磁粉芯簡(jiǎn)介

鉬坡莫合金粉芯MPP

成分：81%Ni、2%Mo、19%Fe飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度：約為0.75T磁導(dǎo)率：14、26、60、125、147、160、173、200、300、550特點(diǎn)：磁滯伸縮系數(shù)接近零，溫度穩(wěn)定性極佳，磁芯損耗低，抗直流偏磁能力僅次于鐵硅鋁粉芯，用途：主要用于高品質(zhì)因數(shù)濾波器（300kHz以下）、感應(yīng)負(fù)載線圈、諧振電路、對(duì)溫度穩(wěn)定性要求高的LC電路、輸出濾波電感、功率因數(shù)補(bǔ)償電感等。

MPP材料特性Permeability（μ）14μ26μ60μ125μ147μ160μ173μ200μ300μ550μμvsTdynamicrange（-50℃to+100℃）Paintedcoreusableto200℃CurieTemperature=450℃0.6%0.6%0.6%0.6%0.6%0.6%0.6%7.0%μvsBdynamicrange50to4000guass（peakat1000guass）0.4%0.4%0.8%1.4%1.9%2.5%4.0%20.0%μvsF，flatto(MHz)952.710.70.50.1500.09常用磁粉芯簡(jiǎn)介電感磁芯損耗比較（設(shè)鐵氧體的損耗為1）頻率10kHz100kHz500kHz1MHzMPP粉芯2×5×9×12×鐵硅鋁粉芯2×9×18×20×非晶態(tài)合金薄帶2×15×25×25×HF粉芯5×15×40×40×鐵粉芯20-40×20-60×25-100×13-21×

鐵氧體材料鐵氧體材料的制備（配料）→（均勻混合，初步固相反應(yīng)）→（成型）→（燒結(jié)）→（整形與檢查）

鐵氧體材料－鐵氧體磁芯的壓制

鐵氧體材料鐵氧體材料的主要材料系列錳鋅、鎂鋅、鎳鋅、鋰鋅鐵氧體鐵氧體材料的主要形狀

E、EI、EC、P、T、EP、PQ、RM

鐵氧體材料

錳鋅鐵氧體主要材料類別功率鐵氧體材料高起始磁導(dǎo)率材料寬頻帶高導(dǎo)材料

錳鋅鐵氧體－功率鐵氧體材料主要材料參數(shù)

起始磁導(dǎo)率最大磁導(dǎo)率

單位體積磁芯損耗飽和磁通密度剩余磁通密度矯頑力居里溫度電阻率密度功率鐵氧體材料特性錳鋅鐵氧體－功率鐵氧體材料

錳鋅鐵氧體－高起始磁導(dǎo)率材料主要材料參數(shù)

起始磁導(dǎo)率比損耗起始磁導(dǎo)率溫度系數(shù)

居里溫度飽和磁通密度剩余磁通密度矯頑力磁滯損耗因子

減落電阻率密度高起始磁導(dǎo)率材料錳鋅鐵氧體－寬頻高導(dǎo)材料主要材料參數(shù)

起始磁導(dǎo)率比損耗居里溫度飽和磁通密度剩余磁通密度矯頑力電阻率密度

頻率特性寬頻帶高導(dǎo)材料鎳鋅鐵氧體主要材料參數(shù)

工作頻率

起始磁導(dǎo)率比損耗

居里溫度飽和磁通密度剩余磁通密度矯頑力電阻率密度鎳鋅鐵氧體材料特性PowderCores,saturation

DCMagnetizingForce(Oersteds)1101001000PerUnitofInitialPermeability0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0FerriteMPPKool

MμHighFlux

PowerTransformersBmaxPowercapacity:Pmax~f*Bmax*AFef*Bmax~F(T/PFe)PFC電感計(jì)算1PFC電感設(shè)計(jì)計(jì)算2損耗和溫升計(jì)算3計(jì)算校核目錄磁性的起源與分類軟磁材料及應(yīng)用電力電子磁性元件設(shè)計(jì)電與磁磁動(dòng)勢(shì)（MMF）與電壓

磁通密度與電流密度磁阻磁路原理

帶氣隙的電感示例

磁路示意氣隙的作用電與磁的基本關(guān)系

Magneticfieldintensity H

(A/m)Fluxdensity B

=

mH

=m0(1+mr)H

(T)MagneticfluxSelfinductanceReluctance Electromagneticinduction

電磁元件損耗機(jī)理

磁芯損耗機(jī)理TotalmagneticcorelossesaremainlyacombinationofhysteresislossandeddycurrentlossesSteinmetzconstants,curvefit:xandyarematerialdependent趨膚效應(yīng)與趨近效應(yīng)

Skineffectiscasuedbyeddycurrentsinducedinaconductorbythetimedep.currentinthatconductorProximityeffectiscasuedbyeddycurrentsinducedinaconductorbythetimedep.currentinadjacentconductorsEddycurrentsSkineffectProximityeffect趨近效應(yīng)（TheProximityEffect）SkineffectProximityeffect趨近效應(yīng)（TheProximityEffect）趨近效應(yīng)（TheProximityEffect）趨近效應(yīng)損耗估算M層繞組總損耗鄰近繞組磁場(chǎng)的MMF示意圖安培定律MMF示意圖D＞＞δ時(shí)MMF示意圖多次夾繞時(shí)的MMF部分夾繞時(shí)的MMF單層的總的銅損雙繞組變壓器的銅損的增加雙繞組變壓器的總銅損電感設(shè)計(jì)－共模磁芯選擇

CMinductors（共模電感）Useferritetoroids(鐵氧體磁環(huán)）Usematerialswithm<10kduetofreq.responseIfsizeaproblem,tryamorphous/nanocrystallinecores（非晶或者納米晶）電感設(shè)計(jì)－差模磁芯選擇

Smallpower:usetoroidsofpowdermaterialInputDM:IronpowderduetopricePFC:KoolMy,HighFlux,MPPOutput:IronPowderLargepower:considerferritesduetopriceBeawareofairgapeffectsBeawareoftempdependenceofsaturationHighestpower:UseamorphouscoreduetospaceBeawareofairgapeffects磁芯材料長(zhǎng)度比較電感設(shè)計(jì)－導(dǎo)線材料

Magnetwire+cheap,highutilization-notreinforcedinsulationCu-foil+bestutilization,reinforcedinsulationiftapedintwolayers-cancausefailuresbecauseofsharpedgesetc.Trippleinsulatedwire+reinforcedinsulation-badutilization,expensive,limitedinsizesLitzandtwistwire+excellenthighfreqperformance-expensive,difficultinproduction,notreinforcedins.電感設(shè)計(jì)－電路基礎(chǔ)

VacLookattheinductorsinanAC/DC-converterfunctiondesignrealizationmaterial電感設(shè)計(jì)－共模電感

Function: attenuatetheconducted

CM-noisetomains

throughhighimpedanceforffswhighZlowZ電感設(shè)計(jì)－共模電感

BuildingHighimpedancehigh-μicoreCurrentcompensation2windingstoroid,noresidualairgaphighAL*isolationlindningarnap?varsinhalvaavk?rnanE-core,residualairgap*isolation2-sectionbobbin電感設(shè)計(jì)－共模電感

RLDMLCMCwSimplerepresentation電感設(shè)計(jì)－共模電感

DesignCMinductance,LCM=ALN2Heat,P=RI2AL電感設(shè)計(jì)－共模電感

Leakageinductance,LDM=NF/I

reciprocity

increasedDM-noise電感設(shè)計(jì)－共模電感

DifferentialFluxcanbeestimatedfornormalwoundCM-inductors(fromMagneticsInc.)Permeability‘seen’bydifferentialfluxis~20(recallopenpathlengthofcore)EffectiveAreaofdifferentialpathis~10timescorearea,andpathlengthis~corepathlengthCanuseAmpere’sLawtofindH(A/morOe),andB=μH(inGaussifHinOersteds)電感設(shè)計(jì)－共模電感

Windingcapacitance~fres~fres/2~fres~fres電感設(shè)計(jì)－PFC電感

Function:LimitthecurrentrippleStoreenergyDesignEnergystorageInductanceCorelossesWindinglossesCapacitance 電感設(shè)計(jì)－PFC電感

EnergyStorage:PFC-inductorsusuallyflux-limited(notloss-limited)Theareaproductcanbeusedtochoosecoresize電感設(shè)計(jì)－PFC電感

Atpeakofinputvoltage,wt=p/2:Ripplecurrentthroughinductor:LUinUDCDID電感設(shè)計(jì)－PFC電感

Whencorehasbeenchosen(e.g.FromWaAe)Ferriteormetalsheetcore(assumingallenergyinairgap)Toroid電感設(shè)計(jì)－PFC電感

CorelossesWindinglosses電感設(shè)計(jì)－PFC電感

WindingCapacitance

increasedDM-nois